鼓泡流化床焚烧炉污泥干化焚烧处理特性及能耗研究-

1、文章编号:1004-8774(201102-13-04 第一作者:彭小军(1976-,2000年毕业于西安交通大学热能工程专业,工程师,从事锅炉设计与固废焚烧处理研究工作。鼓泡流化床焚烧炉污泥干化焚烧处理特性及能耗研究收稿日期:2010-11-04彭小军,孙向军,傅传运(上海环境卫生工程设计院,上海200232摘 要:介绍了鼓泡流化床焚烧炉的结构和技术特点,并通过对某污泥焚烧厂中污泥干化和锅炉余热利用的热平衡计算,全面分析和研究进炉污泥含水率等影响污泥干化焚烧系统能耗的重要参数。关键词:鼓泡流化床焚烧炉;低位热值;含水率;热平衡计算中图分类号:TK229 文献标识码:ASt udy on Ch

2、aracteristics of Sl udge Dry&Inci nerati ng andEnergy Cons u mption i n Bubbli ng FB I nci neratorPENG X iao -jun ,S UN X iang -jun ,FU Chuan -yun(Shanghai Env ironm ental San itati o n Eng i n eer i n g Design I nstitute ,Shangha i 200232,ChinaA bstrac t:Described the structure and techn i ca l

3、 charac teristi cs o f bubb li ng FB i nc i nera t o rs .T hrough the heat ba l ance ca lcu l a ti on for one sl udge i nc i nera tion plant ,ana l yzed and st udied the i m portant para m ete rs wh ich influence t he energy con -sumpti on i n t he sl udge dry &i nc i ne ra tion syste m.K ey wor

4、d s :bubb li ng FB incinera tor ;l ower cal or ific value ;water conten t ;heat balance calcu lation0 前言随着我国经济不断发展和城市人口日益增多,市政污水处理厂的建设规模也不断扩大,导致污水处理后剩余污泥的产量与日俱增。目前污泥处置技术可分为焚烧、填埋、土地利用等1。污泥焚烧因具有减量化程度高、就地焚烧、无需长距离运输、飞灰可资源化利用等优点,被公认为是最实用的处理技术之一。1 污泥焚烧工艺污泥焚烧工艺根据焚烧方式分为直接焚烧和干燥焚烧两种。1.1 直接焚烧污泥的直接焚烧是将机械脱水后的污泥直

5、接送入焚烧炉内焚烧。由于目前国内机械脱水污泥含水率很高(含水率一般为80%左右、热值低,只有在加入辅助燃料(煤、重油、柴油等的情况下,污泥才能燃烧,耗费大量能源。另外由于污泥含水量大,焚烧后的尾部烟气量也比较大,而且烟气中含有更多的水分也更容易形成酸性气体的低温腐蚀。所以焚烧后尾部烟气的换热和净化设备更大,设备的材质抗腐蚀能力要求更高。这些都会大大增加工程的投资和系统运行费用。很显然,如果直接采用现有的焚烧炉来焚烧市政污泥,补充辅助燃料是不可避免的,只是补充辅助燃料的多少不同而已。在目前控制资源和能源消耗的条件下,无论从运行成本和设备投资等方面,污泥的直接焚烧正逐渐被干化后焚烧所代替。1.2

6、干化焚烧污泥干化的目的是降低污泥的含水量,满足在焚烧时无需添加常规燃料而自持焚烧的工艺条件。根据国内外污泥焚烧的运行经验,自持焚烧所需的最低污泥热值为33504000kJ/kg 。污泥干化通常分为全干化(进炉污泥含固率>90%和半干化(进炉污泥含固率<90%2。污泥全干化后热值较高且容易产生粉尘,存在自燃自爆的危险。另外由于蒸发的水分过多,需要从外部消耗大量的热能,不是很经济,目前这一工艺也不太适合我国的国情,而半干法只需要降低污泥含水率,满足焚烧时无需添加辅助燃料。重庆市曾对主城区城市污水处理厂污泥热值做过研究,由实验数据得出,该地区污水厂污泥具有自持燃烧特性时的最高含水率为68

7、%。由于污泥半干法没有爆炸的危险,而且能耗低,所以是目前比较经济的干化处理方式。2 污泥焚烧核心设备介绍2.1 鼓泡流化床焚烧炉整个污泥干化焚烧系统的核心在于焚烧炉。据不完全统计,过去20多年污泥焚烧处理中约有65%以上的污泥是通过鼓泡流化床焚烧炉实施焚烧处理的3。鼓泡流化床焚烧炉的结构主要包括炉本体、炉体框架、耐火材料、布风装置几部分。主体设备是一个圆柱形反应器,反应室内无运动部件。反应器的下部设计成圆锥形,设有气体分配板,圆锥内充满可被空气流化的砂。流化床焚烧炉配有常规的燃料燃烧器,一般在设备启动时,或者污泥热值不足的情况下,通过添加辅助燃料完成燃烧。典型的鼓泡式流化床焚烧炉见图1。 图1

8、 典型的鼓泡式流化床焚烧炉结构图焚烧炉运行时空气自下而上通过分配板,穿过污泥固体颗粒随意填充状态的料层。当鼓泡焚烧炉内空气流速达到一定值时,静止的料层开始松动,当气流速度超过临界流化速度时,污泥颗粒在空气中的浮力之和大于或等于其重力时,料层中颗粒便呈上下翻腾的沸腾状态。污泥自炉侧或炉顶添加,并在流化床层内进行干燥、粉碎、气化等过程,迅速形成燃烧。2.2 鼓泡流化床焚烧炉的技术特点与其它焚烧设备比较,鼓泡流化床焚烧炉具有以下显著优点。(1燃料适应性广。流化床焚烧炉炉内流化层完全混合,燃烧十分剧烈,这为新投入燃料的预热、着火提供便利,同时增加了燃料在炉内反应停留时间,多次参与床层剧烈的热量和质量交

9、换,有利于其燃尽。流化床焚烧炉不仅适合于烟煤、褐煤等易燃煤种,还可以高效燃烧低热值、高水分的固体垃圾和污泥等。(2截面热强度高。据资料显示,流化床的炉膛截面热强度可达0151.5MW /m 2,炉膛容积热负荷达到1.72.1MW /m 3。(3负荷变化范围大,调节特性好。由于燃料着火和燃烧条件很好,无需考虑低负荷时因为炉膛温度降低而灭火,所以负荷调节性能很好。鼓泡流化床焚烧炉可在25%110%的负荷范围内正常运行4。(4污染物排放少。流化床的焚烧温度过高将会导致燃料结渣。为防止结渣,通常流化床的平均温度控制在850950e 。这一温度区间正是脱硫反应效率最佳温度区间,可获得80%90%的脱硫率

10、。同样,由于较低的燃烧温度,可以减少NO x 的生成,对减轻烟气中NO x 对环境的污染有利。鼓泡流化床焚烧炉也存在压力损失(或电耗大、受热面磨损严重、热效率较低等不足。随着国内外对流化床焚烧炉深入研究和不断实践,上述问题应该能够制定出合理有效、切实可行的方法,逐步完善其在污泥等焚烧处理工艺中的运用。3 污泥干化焚烧热平衡计算及能耗分析污泥焚烧系统的热能平衡对整个系统都是至关重要的,通过热能平衡计算可以找到整个系统的最佳设计参数,从而最大限度地利用污泥的热量而减少能耗。通常污泥的高位热值Q gw (即干基热值和污泥的元素成分都可以通过取样检测得出汇总数据。由于燃料中的水分焚烧后都是以蒸汽的形式

11、被排放,这部分水蒸气的潜热都未被利用,因此焚烧炉的热力计算都采用燃料的低位热值Q d w ,而进炉焚烧污泥的低位热值Q d w 与污泥含水率和高位热值的关系如式(1。Q dw =Q gw (1-W -25.1(W +9H (1式中 Q d w 低位发热值,kJ/kg Q gw 高位发热值,kJ /kgW 进炉污泥水的质量百分数,%H 进炉污泥氢元素质量百分数,%我们以某污泥焚烧厂为例,通过对该工程中污泥干化和焚烧的热平衡计算,对污泥焚烧工艺中的重要参数(如进炉污泥含水率和污泥低位热值等及整个系统能耗进行比较研究。3.1 工程简介该污泥焚烧厂采用干化焚烧技术,处理干污泥规模为240t/d 。机械

12、脱水后污泥含水率为78%,干污泥高位热值为11500kJ/kg 。机械脱水后的污泥先进入干化机,将污泥的含水率由78%降至30%55%,然后送入鼓泡流化床焚烧炉进行焚烧,利用焚烧炉烟气余热产生的蒸汽来干化脱水污泥。由于污泥焚烧后产生蒸汽的热能不能完全干化全部的湿污泥,还需要从外部供热管网引入蒸汽作为补充。污泥干化焚烧流程见图2 。图2 污泥焚烧主工艺流程图3.2 工程的热能平衡计算根据工程的设计参数可以对本项目的干化和焚烧系统进行热能平衡计算。我们对进炉污泥含水率为30%、40%、50%、55%的4种工况下的污泥干化焚烧系统能耗进行了计算,并对计算结果进行比较研究。热能平衡计算中主要考虑干化机

13、和余热锅炉两个部分。干化机总体的输入热量考虑干污泥和水的热量及外部蒸汽输入热量,总体输出热量则包括干化机热损失、蒸发的水蒸气热量、冷凝水及加热后的进炉污泥的显热。余热炉总体的输入热量考虑污泥的物理显热和污泥输入热量,通过锅炉的热效率(设定为67%计算出进炉污泥燃烧后可产生的蒸汽量。计算数据见表1。表1 污泥干化焚烧物料和热平衡计算表计算项目进炉污泥含水率30%40%50%55%干污泥量/(t #h -16.256.256.256.25干化机需蒸发的水量D 0/(t #h -119.4817.9915.9114.52干化后的污泥量/(t #h -18.9310.4212.5013.89干化机的换

14、热量/(M J #h -152781.6049292.1044406.8041149.10干化机所需加热蒸汽量D 1/(t #h -125.6723.9721.5920.01进炉污泥低位热值Q dw /(kJ #kg -16634.405328.104021.703368.60余热锅炉总输入热量/(M J #h -160837.1057663.1053219.6050257.20余热锅炉产生蒸汽量D 2/(t #h -118.2517.3015.9715.08需要外部加入蒸汽量D /(t #h -17.426.675.624.93进炉污泥焚烧后烟气量/(Nm 3#h -131510.00333

15、55.0035940.0037660.00烟气中的水蒸气量/(Nm 3#h -16640.008480.0011070.0012790.00注:¹表1中污泥焚烧后产生的烟气量是根据污泥的元素成分计算得出大概值,其中焚烧炉的过量空气系数取1.4;º计算过程中污泥干固体比热设定为1.05kJ/(kg e 。3.3 计算数据比较分析由表1可以看出,当进炉污泥含水率在55%时,低位热值为3368.6kJ/kg(>3350kJ/kg。因此设计时进炉污泥含水率必须保证在55%以下才满足自持燃烧的要求。通过表1还可以看出进入焚烧炉的污泥含水率越高,干化机需要从外部补充的加热蒸汽越少

16、。在进污泥含水率为55%时需要外加蒸汽为4.93t/h ,小于含水率为30%的7.42t/h。主要原因是流化床焚烧炉效率较低(67%,通过干化蒸发掉湿污泥中的水分虽然增加了进炉污泥的燃烧热值,但这部分增加的热值却在焚烧炉内进行热交换时损失更多。因此,从整个干化焚烧系统能耗上考虑,在保证进炉污泥可以自持燃烧的条件下,污泥含水率越高干化焚烧系统的热能利用效率最高,系统能耗最低,运营成本也最低。另外进炉污泥含水率高也意味着干化机蒸发水分减少,干化设备规模减小也可降低干化系统的投资。由表1还可以发现进炉污泥含水率越高,污泥焚烧后产生的烟气量也越多。主要是因为进炉污泥干固体量相同,均为6.25t/h,而

17、含水率的不同造成尾部烟气中水蒸气含量会有所不同,即不同含水率污泥焚烧后烟气的差值即为水蒸气的含量差值。当含水率在55%时污泥焚烧后尾部烟气中水蒸气所占的体积百分比高达34%。因此当进炉污泥含水率高时,虽然可以使系统能耗降低,但是却比含水率低时产生更多的尾部烟气,这也会增加尾部烟气处理设备的投资。此外,烟气中水蒸气含量越高,在燃料中硫分相同的条件下烟气中硫酸蒸汽浓度也越高,这也会使锅炉尾部受热面(如省煤器和空预器的低温腐蚀加剧而增加检修费用。尽管进炉污泥含水率高会降低干化系统的投资,但由于焚烧后的尾部烟气成分复杂,处理难度更大,所以从总体上考虑,污泥含水率越高在前期设备上投入也越多。4结论随着我国城市人口的增加及土地资源的稀缺,市政污水处理后的污泥处理问题日益严峻。污泥焚烧的处理方式因其减量化、无害化、资源化的优势越来越受到关注,目前在我国的上海、深圳和成都等大城市都有污泥干化焚烧的项目实施,而鼓泡流化床焚烧炉由于具有燃烧速度快、燃烧调节性好及燃烧后污染物排放少的优势,因此必将在国内污泥焚烧领域内得到广泛的应用。热能平衡对于整个污泥焚烧系统至关重要,进炉污泥含水率和焚烧炉热效率等参数都是影响污泥干化焚烧系统热能平衡的重要因素。通过计